自石墨烯首次被成功剥离之后，二维材料于储能、柔性器件、电子学、光子学、生物医学以及催化等诸多领域均展现出广泛的应用前景。然而，鉴于当前缺乏可规模化且兼具经济性的合成手段来制备缺陷可控的二维材料，致使二维材料在工业化应用进程中遭遇瓶颈。在可规模化合成方法中，液相剥离法通过削弱块状层状材料中的范德华力，将原子级薄的材料层分散在液体中，是一种常用的二维材料剥离方法。在液相剥离法中，通常会借助超声处理以破坏范德华力，此操作易引发分散所得二维纳米片的厚度出现较大差异。与此同时，为获取高产率的单层或少数层二维纳米片，诸如球磨、表面活性剂添加以及高功率和高温机械剥离等策略常被采用，而额外能量的引入与表面活性剂的添加亦会引发污染问题、产生额外缺陷，且所获二维纳米片的横向尺寸相对较小。表面污染、诱导缺陷和边缘态会显著改变二维材料的固有特性，进而影响对其本征性能的探索。
为了解决这一问题，清华大学深圳国际研究生院雷钰团队联合宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones教授团队创造性地开发了一种液态金属镓（Ga）辅助剥离二维材料的通用方法，该方法能在接近室温的条件下有效地从块状材料中剥离二维材料，且不会引入额外的缺陷。将熔融态的镓与层状材料粉末通过磁力搅拌器进行温和混合，借助液态金属于二维层间的插层作用，实现层间距的扩大并引发剥离过程。此外，镓的流体特性和三氧化二镓（Ga₂O₃）的黏附特性使得磁力搅拌产生的温和剪切力能够从块状晶体上剥离出二维层。这种双重效应形成了一种通用的方法，可用于剥离多种二维材料（石墨烯、碲化钼（MoTe₂）、硒化钼（MoSe₂）、硒化钨（WSe₂）、硫化钼（MoS₂）、硫化钨（WS₂）、硒化铌（NbSe₂）、蛭石和六方氮化硼（h - BN））。接近室温的合成条件以及无需诸如超声处理和剪切混合等强机械力，确保了二维材料的面内共价键不会受到损伤；由于在剥离过程中没有产生诱导缺陷，所剥离的二维纳米片的缺陷继承自所使用的块状晶体的质量。针对不同的应用，所剥离的二维纳米片的晶体质量可以通过块状晶体的缺陷水平得到很好的控制。通过使用高晶体质量的六方氮化硼，所剥离的六方氮化硼纳米片（BNNS）展现出巨大的磁双折射效应，其Cotton - Mouton系数高达2.9×10⁶ T⁻² m⁻¹，此特性使其适宜用作稳定的基于双折射原理的调制器。作者还证明了通过在块状硫化钼中采用冷冻球磨引入扩展空位，所剥离的多缺陷硫化钼纳米片作为析氢反应（HER）催化剂时，其催化活性显著提高。
液态金属剥离h-BN及机理
受黏附辅助剥离方法的启发，研究者采用液态镓（Ga）作为胶带的替代品，并通过搅拌引入剪切力。在剪切力和液态镓插层的协同作用下，原子级的薄层二维材料得以成功剥离。图 a 展示了高质量六方氮化硼（h - BN）可控地剥离成氮化硼纳米片（BNNS）的过程。BNNS 在乙醇中的分散液呈现出明显的丁达尔效应，表明其具有优异的分散性。
h-BN的剥离过程。（a）液态金属剥离h-BN的实验流程；（b）h-BN的STEM截面图；（c-d）Ga-h-BN的STEM截面图；（e）Ga原子插层h-BN模拟图；（f）Ga2O3与h-BN粘附力计算；（g）BNNS的AFM图；（h）BNNS的TEM图；（i）BNNS的HRTEM图。研究者通过扫描透射电子显微镜（STEM） 对h - BN 和 Ga - h - BN 的横截面进行观察，原始 h - BN 横截面呈现出具有约 0.34nm层间距的高度晶面，而在 Ga - h - BN 横截面中可以发现扭曲的晶面。通过放大扭曲区域，可以观察到宽度约为2nm、高度约为0.54nm的“口袋”，有助于h-BN的剥离。DFT 计算结果显示，当 Ga 原子被引入 h - BN 时，因氧化物层粘附力与边缘处部分插层的协同效应，于两个相邻层之间将形成一个 “口袋” 结构；伴随反应的持续推进，会有数量渐增的 “口袋” 结构生成，最终达成剥离目的。总体而言，Ga插层有利于层间间隙的扩大，与此同时，Ga₂O₃的粘附力可提供一种温和的机械力以实现二维片层的剥离，进而促使二维材料成功剥离。与球磨、、水热剥离、超声处理等其他剥离技术相比，液态金属Ga辅助剥离制备的 BNNS 具有优异的片径尺寸。Ga插层效应表征。（a-c）STEM图表征MoS2-Ga；（e-f）Raman，XRD，XPS表征MoS2和MoS2 NS；（h-j）Raman，XRD，XPS表征WS2和WS2 NS。对于MoS2和WS2，Ga离子的插层会诱导其从 2H 相到 1T’相的转变。在液态Ga辅助剥离后，由于有效的Ga插层和 1T’相出现，MoS2和WS2 的拉曼图谱中除常规的E2g和A1g峰外，还有J₁、J₂ 和 J₃特征峰。XRD显示MoS2 NS（002）峰略微向低角度偏移，表明MoS2在剥离后层间距扩大。通过 XPS对块体MoS2和MoS2 NS进行了研究。在块体MoS2中观察到的Mo 3d 峰分别位于 229.7 和 232.8 eV，对应于 3d₅/₂ 和 3d₃/₂。与块体MoS2相比，MoS2 NS的两个峰均向低结合能方向移动了约 0.4 eV。在WS2中同样发现了类似的现象。这些结果均表明在液态金属Ga辅助剥离过程中存在插层效应，同时由于Ga原子的插层效应，研究者已成功在接近室温的条件下实现了MoS2、WS21T’相的制备。液态金属Ga辅助剥离不同带隙层状材料。（a）不同二维材料分散液的照片；（b-i）石墨烯、MoTe₂、MoSe₂、WSe₂、MoS₂、WS₂、NbSe₂和蛭石的AFM图像及高度曲线；（j–l）剥离前后的MoS₂、WS₂和石墨烯的SEM图像；（m-o）剥离后的MoS₂、WS₂和石墨烯的TEM图像。这种策略还被用于温和地剥离其他类型的二维材料，包括导电的石墨烯、半导体碲化钼（MoTe₂）、硒化钼（MoSe₂）、硒化钨（WSe₂）、硫化钼（MoS₂）、硫化钨（WS₂）、硒化铌（NbSe₂）以及像蛭石这样的绝缘粘土材料。图 b - i 展示了所得二维纳米片的原子力显微镜（AFM）图像和线轮廓。SEM图像显示，尺寸范围在 3 - 5 微米的块状粉末（石墨烯、MoS2、WS2）在Ga辅助剥离后转变为横向尺寸相近的原子级薄层二维纳米片。液态金属Ga辅助剥离调控二维材料缺陷。（a-f)无缺陷BNNS的磁致双折射性能；（g-i）多缺陷MoS2的HER催化性能。由于在剥离过程中未产生缺陷，为了满足特定的应用需求，可以通过控制块状材料的缺陷来控制所剥离片层的质量。研究者首先研究了高质量BNNS薄片的双折射特性。在没有磁场时，分散在乙醇溶液中的二维 BNNS 随机排列，不会产生双折射。因此，BNNS 分散液在光学上是各向同性的，在一对交叉偏振器之间呈现黑色外观。当施加 0.8T 的磁场时，二维 BNNS 沿磁场通量线排列并产生显著的宏观磁双折射，使黑色变为白色。最终BNNS的Cotton-Mouton系数达到2.9 × 106 T-2 m-1，比其他双折射介质高出五个数量级。同样地，对冷冻球磨的MoS2进行剥离能够原位制备出多缺陷且尺寸较小的MoS2 NS。具有多个缺陷的小尺寸MoS2 NS提供了更多的催化位点，而Ga离子的存在同时提高了电荷转移效率。与其他基于MoS2的电极相比，具有更多边缘和缺陷的小尺寸硫化钼薄片表现出优异的 HER 催化活性。最终，Ga-Cryo-MoS₂ NS 的过电位为 61 mV，Pt/C相当。研究者成功开发了一种通用的液态金属Ga辅助剥离方法。Ga离子的插层作用能够诱导层间间隙扩张，这有利于在Ga2O3粘附所产生的温和剪切力作用下，从块状晶体上顺利地剥离出二维片层。鉴于此过程中未引入显著的机械力，故而有效避免了缺陷的产生。由此，所剥离得到的纳米片承袭了相应块体层状材料的缺陷浓度特性。低缺陷的BNNS呈现出显著的磁双折射效应，而小尺寸且富含缺陷的MoS2 NS则展现出卓越的HER催化活性。这些研究发现充分表明，通过对块状材料的缺陷加以精准控制，能够制备出具有不同相态和质量的二维纳米片，这在光学、能量转换以及其他相关领域的二维材料应用方面彰显出极为突出的技术潜力与应用前景。